内燃机车动力系统散热通风性能仿真分析

摘  要：柴油机作为内燃机车的动力源，其散热性能是整机安全运行的一项重要参数;经典的散热设计计算，以柴油机自身换热介质及其流动状态作为输入常量，通过计算环境通风量来评估散热性能;本文通过仿真计算，研究在相同功率性能的风机，相同流场域情况下，风机相对动力间排风与吸风时，通过对比散热系统通风量大小，得出在计算域相同条件情况下（动力间布置及通风窗一致的情况）动力系统的散热能力，进而得出在类似动力系统布置条件下的优选散热方案。

关键词：动力系统;通风散热;内燃机;流体仿真

对于内燃机车和大型养路机械的动力系统设计，往往都会根据整机需求，先确定内燃机功率及其各项主要参数，根据定型内燃机散热需求来选型散热系统;散热系统的设计包括：散热器设计、通风机设计。本文使用数值仿真的方式，在整个内燃机车动力系统主要核心部件设计定型后，模拟通风散热流场，对比流过散热器风量的多少，评估通风散热流向和散热系统通风阻力的关系，并总结出一般规律，以指导散热系统的设计选型。

1 动力系统设计方案描述

本文所针对的分析对象为较为常见的一种铁路内燃大型养路机械的动力系统，其组成包括：散热器（散热翅片、导风罩、冷却风扇）、冷却管路系统、膨胀水箱、内燃机、排气系统、进气系统、分动箱、发电机、液压油箱;动力间组成由：动力间、通风窗、隔墙。如图1所示。

1.1 强制通风设计说明

散热器通风扇由柴油机驱动，直径890mm，转速1500rpm，扇叶前段距离散热芯子距离150mm，叶尖速度小于90m/s【1】;由于扇叶有柴油机驱动，所以其转速在作业时恒定，可简化为仿真fan边界条件。

1.2 热平衡计算

冷却风扇的供风量（冷却空气的体积流量），可根据冷却系统的散热需求计算【2】：

由以上公式可得散热量与供风量成正比，冷却风扇的供风量越大散热效果越好。

由于整个系统几何结构未发生变化，供风量的增加同时也说明通过散热芯子的流速增大，增加流速可以改变冷却风流动状态，提高紊流脉动程度，也能增强传热【3】。

1.3 通风性能分析

在动力间布置及散热系统方案确定的情况下，由于动力间只有冷却风扇为主动风口，通风窗为被动风口，因此通风窗口记录的总流量即可当做散热系统的通风量。通过仿真分析冷却风扇相对动力间吹、排，求出通风窗口的通风量，对比通风量分析冷却风扇的吸风和排风对于散热性能的优劣。

2 数值模型描述

2.1 流场域离散

整个计算域包括动力室内部流场和动力室外部流场;动力室外部流场模拟环境对通风散热的影响，动力室内部流场设置一个通风扇，以模拟散热风扇。使用有限体积法（FVM）将整个计算域离散分割，如图2和图3所示。

离散网格为六面体单元，562978个节点，3079700个单元。其中外流场创建一个的速度入口、四面压力出口以及一个地板墙面。动力间内部流场域根据实际模型进行简化处理：进风口简化为一个fan模型，模拟冷却风扇;柴油机进排气简化为速度入口，模拟柴油机实际的进排气参数;动力间通风窗创建通风面，记录通风窗气流流量;最后将动力间内部一些细小的几何结构抹去，完成整个流场域的数值离散。

2.2 边界条件

在相同外流场域中，散热器风扇的流向对动力间内部通风性能的影响：

• 柴油机进排气量：进气速度4.89m/s，排气速度124.12m/s;

2.3数学模型设置

选用基于压力的稳态求解器，物理模型选用湍流模型SST k-ω，材料模型选用标准空气（不考虑固体受力变形及传热所以选择默认壁面），算法选用Coupled耦合算法，离散精度默认。

2.4计算工况

为了对比出动力间通风性能，将通风机风向及通风窗开合作为变量进行分析，具体工况见下表：

3計算结果及分析

为了方便比较对比，创建如下的数据采集面，如图4所示：

3.1计算结果

对比可以看出在整车动力系统方案相同时，向动力间外排气时，散热系统通风量始终大于往动力间内部吸气。随着通风窗的数量增加，吸气和排气的通风量都增加，趋于相同。

4 结论

通过数值仿真结果，可以得出以下结轮：

参考文献：

[1]胡永健.阳路机械用水冷柴油机散热器设计[B].开发研究，机车车辆工艺，2008.

[2]杨连生，等.内燃机设计[M].北京：机械工业出版社，1991.

[3]张兴中，黄文，刘庆国，等.传热学[M].国防工业出版社，2011.

作者简介：金俊权（1987—  ），男，汉族，河北衡水人，本科，工程师，研究方向：大型铁路工程机械。